【正文】 后，相繼研制出用空氣渦輪送絲的 E 型系列噴涂槍以及用馬達(dá)送絲的 K 型系列噴槍。第二次世界大戰(zhàn)初期，自熔性合金粉末出現(xiàn)，粉末火焰噴涂盛行，“火焰噴涂”幾乎成了熱噴涂的代名詞。50 年代末期，美國 METCO 公司也致力于研究能夠噴涂陶瓷涂層的等離子噴涂設(shè)備 [28]。到了 60 年代，等離子噴涂技術(shù)已經(jīng)可以工業(yè)上應(yīng)用，60 年代中期等離子弧熱噴焊技術(shù)已經(jīng)研制成功 [3,9]。 國外等離子噴焊發(fā)展及應(yīng)用80 年代，熱噴涂技術(shù)又有了新的發(fā)展。突出表現(xiàn)在超音速火焰噴涂研制成功和熱噴涂設(shè)備中電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使熱噴涂涂層向著更高的質(zhì)量和精密化方向發(fā)展[3]。此后，熱噴涂技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于工業(yè)部門的大批量生產(chǎn)，其發(fā)展速度有了大幅度提高，“熱噴涂工業(yè)”真正成長(zhǎng)起來。歐美國家對(duì)等離子弧熱噴焊技術(shù)的研究比較早，如今已形成大規(guī)模的開發(fā)、研制、生產(chǎn)基地。涌現(xiàn)出一大批跨國公司，如美國的 Miller 公司，瑞士的 CastCin 公司等。他們分別開發(fā)了自己的一系列產(chǎn)品，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)。在日本，等離子弧熱噴焊起步相對(duì)較晚，但比較注重世界一流設(shè)備的引進(jìn)和研究，近幾年來發(fā)展迅速。 國內(nèi)發(fā)展及應(yīng)用我國熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用始于 40 年代末期，50 年代開始制造線材火焰噴槍和粉末氣噴槍。60 年代初成功研制了封閉式噴嘴固定式電弧噴槍和陶瓷粉末氣噴槍。60年代中期開始發(fā)展等離子噴涂設(shè)備和自熔性合金粉末制造技術(shù)。60 年代末期開始研究等離子弧熱噴焊技術(shù)，同時(shí)開發(fā)粉末火焰噴焊技術(shù)。70 年代各種噴涂方法就已經(jīng)相繼運(yùn)用于生產(chǎn)，其中電弧噴涂和火焰噴涂技術(shù)大量應(yīng)用于修復(fù)。1981 年我國召開了推廣應(yīng)用熱噴涂技術(shù)的工作會(huì)，并開始在全國推廣應(yīng)用，熱噴涂設(shè)備和材料的生產(chǎn)體系基本形成了。與先進(jìn)國家相比較，我國等離子弧熱噴焊先進(jìn)技術(shù)的研究依靠高校和科研機(jī)構(gòu)。西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行脈動(dòng)等離子弧熱噴焊技術(shù)研究，在工件和噴槍陽極(噴嘴)之間接入高頻 IGBT 無觸點(diǎn)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧的高頻交替工作，實(shí)現(xiàn)了等離子弧熱噴焊的單一電源工作。西安交通大學(xué)研究適宜于 AI、Mg 及其合金的變極性等離子弧焊設(shè)備，其由兩臺(tái)直流電源分別給主弧的正、負(fù)半波供電，對(duì)工件(鋁)實(shí)現(xiàn)了變極性焊接，這不僅使電弧穩(wěn)定，還有陰極清理作用。等離子焊接設(shè)備中要控制的對(duì)象比較多，包括高頻振蕩電源、轉(zhuǎn)移弧整流電源、噴焊機(jī)床、送粉器、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等等，對(duì)其中任一部分的改變都可能影響噴焊性能。程控系統(tǒng)是用傳統(tǒng)的繼電器邏輯電路及二極管矩陣邏輯電路，系統(tǒng)組件的集成程度不高，維修或修改工藝程序時(shí)均不方便，系統(tǒng)反應(yīng)也比較慢，可以在設(shè)備中引入單片機(jī)或可編程控制器，提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和工藝適應(yīng)性。蘭州理工大學(xué)研制了以單片機(jī) 80C196KC 為核心的自動(dòng)等離子弧熱噴焊的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了等離子弧熱噴焊設(shè)備的小型化、控制微機(jī)化和操作自動(dòng)化。目前，等離子弧熱噴焊設(shè)備正向設(shè)備小型化、大功率、智能化的方向發(fā)展。隨著高新技術(shù)的發(fā)展。復(fù)合材料得以廣泛應(yīng)用。由于等離子弧熱噴焊技術(shù)所采用的粉料易于調(diào)節(jié)，這又是一種制備復(fù)合材料的新方法。等離子弧熱噴焊噴焊槍自身的擺動(dòng)，可制備厚度和面積都比較大的塊材。天津大學(xué)杜則裕等人通過對(duì)鐵基粉末 Fe0Fe9A 的研究，發(fā)現(xiàn)等離子弧熱噴焊可提高金屬零件的表面耐磨、耐腐蝕性能，從而獲得符合質(zhì)量要求的噴焊層，這對(duì)改善機(jī)械零件表面性能有重要意義。在石化工業(yè)中，關(guān)鍵零部件(閥座、閥芯等)噴焊 Ni 基、Co 基材料對(duì)提高其耐磨、耐腐蝕等有良好效果。等離子弧熱噴焊技術(shù)始終受到國家的重視，一直是“六五”、“七五”規(guī)劃的重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，也獲得了一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，隨著對(duì)新材料的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用，等離子弧熱噴焊技術(shù)也將不斷的完善和發(fā)展。在未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，等離子弧熱噴焊技術(shù)會(huì)發(fā)揮巨大作用。 前景等離子弧熱噴焊技術(shù)可用于制備性能優(yōu)良的復(fù)合材料。因此，改變粉末的配比，使復(fù)合材料層與層之間的成分達(dá)到連續(xù)變化，同時(shí)調(diào)節(jié)射流的速度和溫度等參數(shù)，使組織變化，以制備性能優(yōu)越的梯度功能復(fù)合材料，這對(duì)生產(chǎn)和科研工作都具有積極意義 [6]。設(shè)備控制方面，在等離子弧熱噴焊設(shè)備中引入可編程控制器的方法已逐步得到應(yīng)用，但許多人將 PLC 僅作為一種替代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的邏輯順序控制器，使 PIE 的軟件功能不能充分發(fā)揮 [8]。增強(qiáng)設(shè)備的工藝適應(yīng)性和穩(wěn)定性，充分發(fā)揮 PIE 控制的軟件功能方面，有廣泛的研究前景 [2,3]。等離子弧熱噴焊技術(shù)是一種具有發(fā)展前景的表面強(qiáng)化技術(shù)。隨著工業(yè)發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的壽命和材料性能都提出了更高的要求。等離子弧熱噴焊的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，尤其是修補(bǔ)噴嘴環(huán)、轉(zhuǎn)子等一些昂貴的零部件時(shí)，顯著的經(jīng)濟(jì)性和可靠性就顯現(xiàn)出來了。在未來發(fā)展中，將發(fā)揮巨大作用。 等離子噴焊 定義等離子噴焊是利用等離子弧作高溫?zé)嵩?，粉末狀合金作為填充金屬的一種熔焊工藝 [5]。噴焊用氬氣作電離氣體，通過調(diào)節(jié)各工藝參數(shù)，可獲得熔深淺、沖淡率低、成形平整光滑的優(yōu)質(zhì)熔敷層。 基本原理等離子噴焊采用轉(zhuǎn)移型等離子弧為主要熱源，在金屬表面噴焊合金粉末的方法。一般采用兩臺(tái)整流電源，將負(fù)極并聯(lián)在一起，通過電纜接至噴槍的電極，其中一臺(tái)電源的正極接噴槍的噴嘴，用于產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移弧；另一臺(tái)電源的正極接工件，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)移弧。噴槍的噴嘴和電極通水冷卻，采用氬氣作等離子氣，首先用高頻火花點(diǎn)燃非轉(zhuǎn)移弧，然后利用非轉(zhuǎn)移弧在電極和工件之間選成的導(dǎo)電通道引燃非轉(zhuǎn)移弧，在建立轉(zhuǎn)移弧的同時(shí)，由送粉器向噴槍輸送粉未，粉未通過電弧后噴射到工件上。轉(zhuǎn)移弧建立后，就在工件上形成了熔池，使合金粉未在工件上熔融。隨著噴槍和工件的相對(duì)移動(dòng)，液態(tài)合金逐漸凝固，便形成了合金噴焊層 。等離子噴焊包括噴涂和重熔兩個(gè)過程，但這兩個(gè)過程是同時(shí)進(jìn)行的。在噴涂過程中，粉末通過弧柱的加熱，一般以半融化狀態(tài)積極到工件上。重融過程是粉末在工作上的融化過程，落入熔池的粉末立即進(jìn)入轉(zhuǎn)移弧的陽極區(qū)，受到高溫加熱而迅速融化，并將熱量傳遞給基材[30]。等離子噴焊熔深較淺，使得基材對(duì)合金的沖淡率低，同氧乙炔火焰噴焊相比較，電弧對(duì)熔池的攪拌作用較強(qiáng)，熔池的冶金過程進(jìn)行的比較充分，噴焊層氣孔和夾渣少。 等離子噴焊特點(diǎn) 等離子噴焊的設(shè)備1．等離子弧焊設(shè)備的組成 和鎢極氫弧焊一樣，按操作方式，等離子弧焊設(shè)備可分為手工焊和自動(dòng)焊兩類。手工焊設(shè)備由焊接電源、焊槍、控制電路、氣路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)等部分組成。自動(dòng)焊設(shè)備則由焊接電源、焊槍、焊接小車（或轉(zhuǎn)動(dòng)夾具）、控制電路、氣路系統(tǒng)及水路系統(tǒng)等部分組成。 2．焊接電源 下降或垂直下降特性的整流電源或弧焊發(fā)電機(jī)均可作為等離子弧焊接電源。用純氬作為離子氣時(shí)，電源空載電壓只需 6580V；用氬氫混合氣時(shí)，空載電壓需 110120V。大電流等離子弧都采用等離子弧，用高頻引燃非轉(zhuǎn)移弧，然后轉(zhuǎn)移成轉(zhuǎn)移弧。 30A 以下的小電流微束等離子弧焊接采用混合型弧，用高頻或接觸短路回抽引弧。由于非轉(zhuǎn)移弧在非常焊接過程中不能切除因此一般要用兩個(gè)獨(dú)立的電源。 3．氣路系統(tǒng) 等離子弧焊機(jī)供氣系統(tǒng)應(yīng)能分別供給可調(diào)節(jié)離子氣、保護(hù)氣、背面保護(hù)氣。為保證引弧和熄弧處的焊接質(zhì)量，離子氣可分兩路供給，其中一路可經(jīng)氣閥放空，以實(shí)現(xiàn)離子氣流衰減控制。 4．控制系統(tǒng) 手工等離子弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，只要能保證先通離子氣和保護(hù)氣，然后引弧即可。自動(dòng)化等離子弧焊機(jī)控制系統(tǒng)通常由高頻發(fā)生器，小車行走。填充焊口逆進(jìn)拖動(dòng)電路及程控電路組成。程控電路應(yīng)能滿足提前送氣、高頻引弧和轉(zhuǎn)弧、離子氣遞增、延遲行走、電流和氣流衰減熄弧。延遲停氣等控制要求。 等離子弧 1．等離子弧的概念 等離子弧：受外部拘束條件的影響使孤柱受到壓縮的電弧。自由電弧弧區(qū)內(nèi)的氣體尚未完全電離，能量未高度集中，而等離子弧弧區(qū)內(nèi)的氣體完全電離，能量高度集中，能量密度很大，可達(dá) 105~106W/cm2，電弧溫度可高達(dá) 24000～5000K （一般自由狀態(tài)的鎢極氬弧焊最高溫度為 10000～20220K ，能量密度在 104W/cm2 以下）能迅速熔化金屬材料，可用來焊接和切割。 2．等離子弧的產(chǎn)生 在鎢極與噴嘴之間或鎢極與工件之間加一較高電壓，經(jīng)高頻振蕩使氣體電離形成自由電弧，該電弧受下列三個(gè)壓縮作用形成等離子弧。 （1）機(jī)械壓縮效應(yīng)（作用）——電弧經(jīng)過有一定孔徑的水冷噴嘴通道，使電弧截面受到拘束，不能自由擴(kuò)展。 （2）熱壓縮效應(yīng)——當(dāng)通入一定壓力和流量的氬氣或氮?dú)鈺r(shí)，冷氣流均勻地包圍著電弧，使電弧外圍受到強(qiáng)烈冷卻，迫使帶電粒子流（離子和電子）往弧柱中心集中，弧柱被進(jìn)一步壓縮。 （3）電磁收縮效應(yīng)——定向運(yùn)動(dòng)的電子、離子流就是相互平行的載流導(dǎo)體，在弧柱電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生的電磁力使孤柱進(jìn)一步收縮 電弧經(jīng)過以上三種壓縮效應(yīng)后，能量高度集中在直徑很小的弧柱中，弧柱中的氣體被充分電離成等離子體，故稱為等離子弧。 當(dāng)小直徑噴嘴，大的氣體流量和增大電流時(shí)，等離子焰自噴嘴噴出的速度很高，具有很大的沖擊力，這種等離子弧稱為“剛性弧” ，主要用于切割金屬。反之，若將等離子弧調(diào)節(jié)成溫度較低、沖擊力較小時(shí)，該等離子弧稱為“柔性弧” ，主要用于焊接。3．等離子弧的特性等離子弧能量密度可達(dá) 10000100000W/cm2，比自由鎢弧(約 10000W/cm2 以下)高，其溫度可達(dá) 18000～24000K，也高于自由鎢弧 (約 5000～8000K) 很多。等離子弧的靜特性曲線接近 U 形。與自由鎢弧比較最大區(qū)別是電弧電壓比自由鎢弧高。此外，在小電流時(shí)，自由鎢弧靜特性為陡降(負(fù)阻特性)的，易與電源外特性曲線相切，使電弧失穩(wěn)。而等離子弧則為緩降或平的，易與電源外特性相交建立穩(wěn)定工作。 等離子弧呈圓柱形，擴(kuò)散角約 5 度左右，焊接時(shí)，當(dāng)弧長(zhǎng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，母材的加熱面積不會(huì)發(fā)生明顯變化，而自由鎢弧呈圓錐形，其擴(kuò)散角約 45 度，對(duì)工作距離變化敏感性大。等離子弧的挺直度非常好。由于等離子弧是自由鎢弧經(jīng)壓縮而成，故其挺度比自由鎢弧好，焰流速度大，可達(dá) 300m/s 以上，因而指向性好，噴射有力，其熔透能力強(qiáng)。4．等離子弧的類型按電源連接方式的不同，等離子弧有非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型和聯(lián)合型三種形式。 （1）非轉(zhuǎn)移型等離子?。烘u極接電源負(fù)端，焊件接電源正端，等離子弧體產(chǎn)生在鎢極與噴嘴之間，在等離子氣體壓送下，弧柱從噴嘴中噴出，形成等離子焰。 （2）轉(zhuǎn)移型等離子?。烘u極接電流負(fù)端，焊件接電流正端，等離子弧產(chǎn)生的鎢極和焊件之間。因?yàn)檗D(zhuǎn)移弧能把更多的熱量傳遞給焊件，所以金屬焊接、切割幾乎都是采用轉(zhuǎn)移型等離子弧。 （3）聯(lián)合型等離子?。汗ぷ鲿r(shí)非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧同時(shí)并存，故稱為聯(lián)合型等離子弧。非轉(zhuǎn)移弧起穩(wěn)定電弧和補(bǔ)充加熱的作用，轉(zhuǎn)移弧直接加熱焊件，使之熔化進(jìn)行焊接。主要用于微束等離子弧焊和粉末堆焊。 等離子弧焊的特點(diǎn)由于等離子弧弧柱溫度高，能量密度大，因而對(duì)焊件加熱集中，熔透能力強(qiáng)，在同樣熔深下其焊接速度比 TIG 焊高，故可提高焊接生產(chǎn)率。此外，等離子弧對(duì)焊件的熱輸入相對(duì)較小，焊縫截面形狀較窄，深寬比較大，呈“酒杯”狀，熱影響區(qū)窄，其焊接變形也小。由于等離子弧呈圓柱形，擴(kuò)散角小，挺直度好，所以焊接熔池形狀和尺寸受弧長(zhǎng)波動(dòng)的影響小，因而容易獲得均勻的焊縫成形，而 TIG 焊隨著弧長(zhǎng)的增加，其熔寬增大，而熔深減小。由于等離子弧的壓縮效應(yīng)及熱電離充分，所以電弧工作穩(wěn)定，特別當(dāng)聯(lián)合型等離子弧在小電流()焊時(shí)，仍具有較平的靜特性配用恒流(垂降)電源，能保證焊接過程非常穩(wěn)定，故可以焊接超薄構(gòu)件。 等離子弧焊的基本方法常用的等離子弧焊基本方法有小孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊和微束等離子弧焊三種（1）小孔型等離子弧焊：使用較大的焊接電流，通常為 50～500A ，轉(zhuǎn)移型弧。施焊時(shí)，壓縮的等離子焰流速度較快，電弧細(xì)長(zhǎng)而有力，為熔池前端穿透焊件而形成一個(gè)小孔，焰流穿過母材而噴出，稱為 “小孔效應(yīng) ”。隨著焊槍的前移，小孔也隨著向前移動(dòng)，后面的熔化金屬凝固成焊縫。由于等離子弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等離子弧焊只能在有限厚板內(nèi)進(jìn)行焊接。（2）熔透型等離子弧焊 當(dāng)?shù)入x子氣流量較小、弧柱壓縮程度較弱時(shí)，此種等離子弧在焊接過程中只熔化焊件而不產(chǎn)生小孔效應(yīng)，焊縫成形原理與鎢極氬弧焊相似，稱為熔透型等離子弧焊，主要用于厚度小于 2～3mm 的薄板單面焊雙面成形及厚板的多層焊。 （3）微束等離子弧焊 焊接電流 30A 以下熔透型焊接稱為微束等離子弧焊。采用小孔徑壓縮噴嘴（～ ）及聯(lián)合型弧，當(dāng)焊接電流小至 1A 以下，電弧仍能穩(wěn)定地燃燒，能夠焊接細(xì)絲和箔材。 與其他表面噴焊相比等離子噴焊利用等離子弧作熱源和采用合金粉末作填充金屬，從而與其它表面噴焊方法相比較，具有以下特點(diǎn)（表 11） [10,11]：表 11 焊接方法的比較根部焊道手工電弧焊接 手式 TIG焊接等離子焊接(PAW)板材焊前準(zhǔn)備坡口+鈍邊 坡口+鈍邊坡口+鈍邊裝配 相對(duì)困難（間隙） 困難（小間隙） 容易焊工技術(shù)要求熟練 熟練 一般焊接速度 非常慢 非常慢 相當(dāng)快操作難度 困難 非常困難 較容易焊后質(zhì)量 好/但外觀不美 好 極好特別問題焊條過熱，質(zhì)量難以控制，工件變形焊工易疲勞，質(zhì)量難以控制，工件變形無等離子噴焊可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)熱輸入。除了改變輸入功率外，還可以改變氣體的種類、流量以及噴嘴的尺寸調(diào)節(jié)等離子弧的熱能和溫度；選擇不同的工作氣體可以獲得惰性氣氛、還原性氣氛和氧化性氣氛。由于工藝上可調(diào)節(jié)的參數(shù)很多，熱輸入可控，合金粉末在弧柱中預(yù)熱，噴射過渡到熔池，有緩沖電弧吹力的作用，熔池受熱均勻，故可控制母材